2A12鋁合金高鎖螺母收口裂紋產(chǎn)生的原因

金萬軍，李茂真，肖 翔，何 英，周 磊

(1.中國航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件制造有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550014； 2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102200)

鋁合金高鎖螺母是一種特殊結(jié)構(gòu)的緊固件，具有重量輕、體積小、防松能力強、抗疲勞性能好、裝配效率高等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。因鎖緊結(jié)構(gòu)特殊，在高鎖螺母加工過程中需進行收口，使內(nèi)螺紋受力發(fā)生塑性變形，在裝配時與螺栓螺紋發(fā)生干涉配合，起到防松脫作用。國內(nèi)外文獻報道了較多高鎖螺母使用過程中產(chǎn)生的缺陷[1-3]，但很少報道2A12鋁合金高鎖螺母在加工過程中產(chǎn)生的缺陷。本試驗研究了因原材料晶粒粗大導(dǎo)致彎曲性能差，不能滿足高鎖螺母收口塑性變形要求而產(chǎn)生的收口裂紋缺陷。

1 試驗材料及方法

試驗材料為2A12鋁合金六角棒材加工成如圖1所示的高鎖螺母。其主要加工工藝流程：六角棒料車削加工螺母外形及內(nèi)螺紋→收口→熱處理→熒光檢測→表面處理。采用橢圓收口，收口位置為收口臺，收口臺處內(nèi)螺紋受到收口塊的擠壓發(fā)生塑性變形，如圖2所示。

圖1 高鎖螺母實物圖Fig.1 Physical drawing of high lock nut

圖2 螺母收口示意圖及其加工實物Fig.2 Schematic diagram of nut closing and the object processed

使用同一個爐批號、同一規(guī)格的2A12鋁合金六角棒材加工高鎖螺母時，在熒光檢測工序發(fā)現(xiàn)約25%的螺母收口處內(nèi)螺紋呈現(xiàn)縱向線，疑似收口裂紋。采取工序排查，確定了螺母裂紋產(chǎn)生于收口工序，為收口裂紋，其橫向形貌的金相觀察結(jié)果如圖3所示。

圖3 螺母收口橫向裂紋形貌Fig.3 Transverse crack morphology of nut closing

截取高鎖螺母收口臺橫截面，觀察裂紋形貌及組織特征。截取六角棒縱截面觀察材料的晶粒組織特征。參照GB/T 3246.1，采用Axio-Scope.A1型金相顯微鏡觀察顯微組織，觀察前利用鉻酸溶液(15 g Cr2O3+5 mL HF+80 mL HNO3+415 mL H2O)對表面侵蝕1 min。截取六角棒縱截面試樣進行打磨、拋光處理，清洗后將其懸掛在覆膜電解液中進行陽極覆膜(硫酸、磷酸、水的體積比為2∶2∶1)，覆膜電壓為20 V，覆膜時間為20 s。覆膜結(jié)束后吹干，將樣品表面機械拋光，并使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%高氯酸溶液進行電解拋光，電壓20 V，時間40 s。采用光學(xué)顯微鏡觀察晶粒尺寸，采用日本電子7800F場發(fā)射電鏡和牛津Nordlys EBSD探頭分析晶粒形貌。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 螺母金相分析

采用熒光檢測對收口后的零件進行挑選，選取有熒光顯示和無熒光顯示的兩類零件各10件，每類零件中取5件在收口處橫向切開，另5件縱向切開，對收口臺處進行金相分析，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 2A12螺母收口臺處橫截面腐蝕形貌Fig.4 Corrosion appearance of 2A12 nut closing platform section

從圖4可以看出，有裂紋螺母的收口臺處晶粒粗大，尺寸約100 μm～200 μm，呈現(xiàn)完全再結(jié)晶和粗大晶粒形貌，收口裂紋在相鄰粗大晶粒間的晶界處產(chǎn)生并沿晶界擴展；無裂紋螺母的收口臺處晶粒較小，尺寸約10 μm～20 μm。

由圖5可見，有裂紋螺母的縱截面組織為完全再結(jié)晶組織，并伴有大晶粒存在；而無裂紋螺母縱截面呈現(xiàn)沿擠壓方向纖維條狀組織，未見明顯再結(jié)晶粗大晶粒。有裂紋和無裂紋各10件螺母金相檢查均未見組織偏析、夾雜、腐蝕等缺陷。

圖5 2A12螺母收口臺處縱截面腐蝕形貌Fig.5 Corrosion appearance of 2A12 nut closing platform longitudinal section

2.2 螺母裂紋EBSD分析

對有裂紋缺陷的螺母組織進行EBSD分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 裂紋螺母EBSD組織Fig.6 EBSD structure diagram of cracked nut

圖6方框區(qū)域即為標(biāo)記的裂紋，可見裂紋周圍晶粒尺寸較大，最大可超過500 μm，裂紋沿相鄰粗大晶粒間的晶界處擴展，粗大的晶粒變形協(xié)調(diào)性較差，晶界處位錯容易發(fā)生堆積，從而降低了材料變形能力，粗晶可能是導(dǎo)致螺母收口裂紋的主要原因。

2.3 原材料組織分析

通過對比分析有裂紋件和無裂紋件螺母的組織，基本確定導(dǎo)致一定比例的螺母出現(xiàn)收口裂紋的原因是部分原材料棒材存在粗大晶粒。通過與原材料生產(chǎn)廠家溝通，分析認(rèn)為，在原材料生產(chǎn)過程中，由于擠壓工藝控制不穩(wěn)定，造成同一批次材料的組織一致性差。為了研究原材料組織對螺母收口裂紋的影響，從同一批次材料中挑選不同組織的六角棒。挑選方法是：隨機選取10根六角棒并做好標(biāo)識，然后逐根在頭尾兩端截取金相試樣，觀察金相組織。選2根內(nèi)部組織存在典型差異的六角棒材，分別進行原材料組織分析和加工螺母。將2根棒材分別標(biāo)識為A棒和B棒，按正常工藝加工螺母并在收口后進行熒光檢查，發(fā)現(xiàn)A棒加工的螺母100%無裂紋，而B棒加工的螺母存在81%比例的螺母裂紋。

對A棒和B棒原材料進行金相觀察，棒材橫截面金相組織如圖7所示。從圖7可以看出，A棒和B棒邊緣均存在完全再結(jié)晶的粗晶組織，芯部組織則有所不同，A棒芯部保留擠壓纖維斷面組織形貌，僅有少量再結(jié)晶，而B棒芯部則存在大片白亮再結(jié)晶組織。

對A棒、B棒材縱截面金相試樣進行陽極覆膜，組織形貌如圖8所示。從圖8可以看出，A棒材邊緣呈粗大的完全再結(jié)晶晶粒，晶粒寬度1 mm～2 mm，粗晶環(huán)深度約為2 mm，芯部完全保留擠壓纖維條狀組織；B棒材整體是再結(jié)晶組織，邊緣晶粒尺寸較大，晶粒寬度約1 mm，芯部晶粒尺寸較小，晶粒寬度約0.15 mm。

根據(jù)鋁合金高鎖螺母的加工工藝，棒材加工成螺母后，螺母收口處去除原材料約2 mm厚度，因此A棒加工的螺母基本去除了粗晶環(huán)，螺母基體呈沿擠壓方向纖維條狀組織，螺母收口無裂紋；B棒加工的螺母基體仍保留粗大的再結(jié)晶晶粒，收口時易產(chǎn)生裂紋。由于擠壓工藝控制的不穩(wěn)定性，原材料棒材粗晶環(huán)的深度也有所波動，波動范圍為1 mm～3 mm。

2.4 原材料制備工藝改進及螺母收口試驗驗證

通過和原材料制造廠溝通、試驗及分析認(rèn)為，原材料的冷變形工藝對組織晶粒影響最大；原擠壓工藝控制不穩(wěn)定，導(dǎo)致內(nèi)部組織粗細(xì)不均勻，且同一批次的六角棒一致性差。通過工藝改進，由原工藝的2次擠壓成形改為1次擠壓+1次過模拉伸，然后通過優(yōu)化退火工藝、擠壓工藝和冷拉拔變形量的綜合匹配來控制2A12鋁合金棒材組織，最終獲得晶粒細(xì)小、均勻的組織，消除了表層粗大晶粒。改進前典型的不均勻組織及改進后的棒材組織見圖9。改進后的棒材晶粒均勻且細(xì)小。

圖7 六角棒橫截面組織Fig.7 Cross-sectional structure of hexagonal bar

圖8 六角棒縱截面組織Fig.8 Longitudinal section structure of hexagonal bar

圖9 改進前后六角棒組織對比Fig.9 Comparison chart of hexagonal bar microstructure before and after improvement

采用工藝改進后生產(chǎn)的三批2A12鋁合金原材料加工高鎖螺母，每批2 000件共6 000件，經(jīng)100%熒光探傷檢查，均未發(fā)現(xiàn)螺母收口裂紋缺陷，說明改進后的原材料滿足髙鎖螺母收口工藝的要求。改進前后螺母收口臺處橫向截面組織見圖10。

圖10 改進前后螺母收口臺處橫向組織對比Fig.10 Comparison of transverse structure of nut closing before and after improvement

2.5 分析與討論

試驗結(jié)果表明，改進前部分2A12鋁合金棒材存在明顯的粗晶環(huán)組織，其典型的顯微組織形貌：擠壓棒材邊部為粗晶組織，不同批次粗晶環(huán)深度在2 mm～3 mm，粗大晶粒尺寸約1 mm，心部為變形纖維組織，晶粒沿變形方向呈纖維分布。根據(jù)高鎖螺母緊固件的加工方式分析，在距離材料表面約2 mm處進行收口變形，而此處位置原始材料的組織為介于粗晶環(huán)區(qū)和變形纖維狀組織位置之間。原材料由于擠壓工藝控制不穩(wěn)定性，粗晶環(huán)的深度有所波動，導(dǎo)致材料收口成形性能不穩(wěn)定。

結(jié)合高鎖螺母的失效分析結(jié)果可以得出，裂紋容易沿粗大的再結(jié)晶晶界擴展。當(dāng)粗晶環(huán)深度超過2 mm時，高鎖螺母加工后承受收口變形的位置正處于粗晶組織的位置。材料在收口變形過程中會產(chǎn)生大量位錯，位錯由表面晶粒滑移進入相鄰晶粒繼續(xù)滑移時，需要偏轉(zhuǎn)較大的角度，這種阻礙使位錯在晶界處發(fā)生塞積和應(yīng)力集中。在持續(xù)壓縮應(yīng)力的作用下，晶界處的應(yīng)力集中不斷累積，當(dāng)超過晶界本身強度時，將會導(dǎo)致裂紋擴展，晶粒越大，這種應(yīng)力累積越嚴(yán)重。粗大晶粒的晶界是收口裂紋的擴展通道。

從螺母的收口成形方式來看，其收口變形處兩側(cè)材料類似于發(fā)生彎曲變形。根據(jù)已有文獻報道[4]，鋁合金晶粒尺寸對于材料彎曲性能影響很大，減小晶粒尺寸，可提升材料的彎曲性能。

通過改變原材料冷變形工藝獲得晶粒均勻、細(xì)小的棒材，經(jīng)3批共6 000件高鎖螺母加工試制，均未產(chǎn)生螺母收口缺陷。說明改進原材料制備工藝，獲得均勻細(xì)小晶粒，能有效避免收口裂紋。

3 結(jié) 論

1)2A12鋁合金高鎖螺母收口裂紋產(chǎn)生的主要原因是原材料晶粒粗大，粗大的晶粒變形協(xié)調(diào)性較差，位錯容易在晶界處發(fā)生堆積，降低了材料彎曲變形性能，裂紋在相鄰粗大晶粒間的晶界處產(chǎn)生并沿晶界擴展。

2)產(chǎn)生收口裂紋的2A12鋁合金高鎖螺母用的六角棒的組織整體呈再結(jié)晶組織，邊部呈完全再結(jié)晶組織，并伴有大晶粒存在。

3)通過優(yōu)化棒材擠壓工藝、退火工藝和冷拉拔變形量的綜合匹配來控制2A12鋁合金六角棒組織，最終獲得均勻、細(xì)小晶粒。經(jīng)高鎖螺母收口驗證，能有效避免螺母收口裂紋。